JP4191560B2 - ターボ冷凍機、およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械である遠心圧縮機によって冷熱を得るターボ冷凍機およびその制御方法に関する。

ターボ冷凍機に用いられる遠心圧縮機は、低風量かつ高揚程領域において、旋回失速やサージング（ストール）といった不安定な挙動を示す。
これを回避するために、従来より、遠心圧縮機から吐出されるホットガスの一部を遠心圧縮機の吸込側に戻して風量（体積流量）を確保するホットガスバイパス制御が行われている（例えば特許文献１参照）。

ホットガスバイパス制御等の圧縮機を保護する制御を行うに先立って、旋回失速やサージングを予測あるいは検出する必要がある。
サージングを検出する手段としては、以下に示す特許文献２に示されたものがある。
この特許文献には、圧縮機を駆動する可変速駆動装置の電流の変動と、圧縮機の両端間の差圧（具体的には凝縮器と蒸発器との差圧）とによって、サージングを検出する技術が開示されている。

特開平８−２３３３８２号公報（段落［０００５］および図４） 特表２０００−５０５５２５号公報（７〜９頁および図１）

しかしながら、上記特許文献２記載の技術では、以下の理由により旋廻失速やサージングを精度良く検知できないという問題があった。
ターボ冷凍機の圧縮機には、圧縮機に比べて容積が大きい凝縮器および蒸発器が接続されている。したがって、圧縮機両端間の差圧によって旋廻失速やサージングを検出する場合、旋廻失速やサージングによる圧力変動が生じたとしても、容積が大きな凝縮器や蒸発器に圧力変動が吸収されてしまうので、圧縮機両端間の差圧の変動量は小さく減衰してしまうためには時間遅れがあり、旋廻失速やサージングを的確に判断することができない。

また、凝縮器内の圧力と凝縮器を冷却する冷却水温度とを組み合わせることによってサージングを検知することが知られている。しかし、冷却水を外部で冷やすクーリングタワーの運転台数の変更によって冷却水温度が急変するので、サージングの有無にかかわらず凝縮器内の圧力に変動が生じる。これでは、冷却水温度の変動による圧力変動か、サージングによる圧力変動かが区別できない。

本発明は、上記問題点に鑑み、遠心圧縮機に生じた旋廻失速やサージングを精度良く検知することができるターボ冷凍機およびその制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のターボ冷凍機、およびその制御方法は以下の手段を採用する。
本発明のターボ冷凍機の遠心圧縮機は、冷媒を圧縮する羽根車の上流側に、冷媒温度を検出する温度センサが設けられている。
サージングが生じると羽根車で圧縮吐出された冷媒が逆流するので、羽根車の上流側の冷媒温度の上昇によってサージングを検知することができる。つまり、羽根車の上流側に、冷媒温度を検出する温度センサを設けることにより、サージングを精度良く検出することができる。
また、液体の冷媒を圧縮機が吸い込んでしまうキャリーオーバでは、羽根車の上流側で液冷媒が膨張するので、冷媒温度は降下する。これを温度センサで検出することにより、キャリーオーバを検出することができる。
羽根車上流側における温度センサの位置としては、羽根車上流側に配置された入口ベーンの下流側、入口ベーン上流側でかつ圧縮機吸込配管下流側、または圧縮機吸込配管内がある。羽根車に近いほど、サージングの検知には好適である。
温度センサとしては、検出精度と感度が良いので、測温部の小さな測温抵抗体が好適である。

また、本発明の参考例としてのターボ冷凍機の遠心圧縮機は、冷媒を圧縮する羽根車と、該羽根車の外周に配置されたディフューザとを備え、前記ディフューザの外周縁部には、冷媒圧力を検出する圧力センサが設けられていることを特徴とする。
旋回失速が成長することによりサージングが発生する。旋回失速は、ディフューザの外周縁部に生じる。ディフューザの外縁部に配置した圧力センサによって、旋回失速を検出することができる。

本発明のターボ冷凍機は、上記遠心圧縮機と、羽根車を駆動する電動機の駆動電流を検出し、電流の変動を判断する変動電流判断手段と、前記温度センサの出力により冷媒温度の上昇を検出し、サージングを判断するサージング判断手段と、を備えていることを特徴とする。
変動電流判断手段によって、電動機の駆動電流が変動していることを検出し、遠心圧縮機にサージングまたはキャリーオーバが発生していることを検知する。
サージングであれば羽根車上流側の冷媒温度が上昇するので、サージング判断手段によってサージングが発生していると判断する。
これらを組み合わせることにより、精度の高いサージング検知が実現される。

また、本発明のターボ冷凍機は、前記サージング判断手段によってサージングと判断された後に、前記遠心圧縮機の吐出側の冷媒の一部を吸込側へと導くホットガスバイパス管に配置されたホットガスバイパス弁の開度を所定量開き、前記変動電流判断手段によって得られる電流の変動に応じて、前記ホットガスバイパス弁の開度をさらに開くホットガスバイパス弁制御手段を備えていることを特徴とする。
ホットガスバイパス制御は、圧縮した冷媒を冷凍サイクルに用いずに圧縮機吸込側に戻すので、熱効率の観点からは不利益となる。ホットガスバイパス弁制御手段によって、ホットガスバイパス弁の開度を数回に分けて開くことにより、熱効率の低下を可及的に防ぐことができる。

本発明のターボ冷凍機は、前記電動機が回転数制御手段からの指示によって回転数が制御され、該回転数制御手段の指示値が定格から所定量上回ったか否かを判断する回転数超過判断手段を備えていることを特徴とする。
サージングとは関係ないステップ的な外乱が入って電動機の定格回転数を越えた場合の全てについて、即座にサージング検知の制御に入る必要はない。インバータ等の回転数制御手段を備えた電動機は、ターボ冷凍機にステップ的な外乱が入っても他の機器の応答遅れにより所定量だけ定格回転数を超過するだけである。したがって、回転数超過判断手段によって、所定の回転数上昇を許容してサージング検知制御に移行するのを遅延させるようにして、ステップ的な外乱によってサージングを誤検知することを防止する。

本発明のターボ冷凍機の制御方法は、冷媒温度を検出する温度センサが冷媒を圧縮する羽根車の上流側に設けられた遠心圧縮機と、前記温度センサの出力により冷媒温度の上昇を検出し、サージングを判断するサージング判断手段と、前記サージング判断手段によってサージングと判断された後に、前記遠心圧縮機の吐出側の冷媒の一部を吸込側へと導くホットガスバイパス管に配置されたホットガスバイパス弁の開度を所定量開くホットガスバイパス弁制御手段と、を備えたターボ冷凍機の制御方法において、前記電動機は、回転数制御手段からの指示によって回転数が制御され、該回転数制御手段の指示値が定格から所定量上回ったか否かを判断する回転数超過判断手段を備え、該回転数超過判断手段によって前記回転数制御手段の指示値が前記定格から前記所定量上回ったと判断した場合に、前記ホットガスバイパス弁制御手段によって該ホットガスバイパス弁の開度を所定量開くことを特徴とする。
羽根車上流における冷媒温度上昇を検出することとしたので、サージングを精度良く検知することができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
羽根車の上流側に、冷媒温度を検出する温度センサを設けることとしたので、サージングを精度良く検知することができる。

ディフューザの外縁部に圧力センサを配置することとしたので、サージングの初期現象である旋回失速を検出することができ、サージングを精度良く検知することができる。

サージング判断手段によってサージングの発生を判断することに加えて、変動電流判断手段によって電動機の駆動電流が変動していることを検出することとしたので、より精度の高いサージング検知が実現される。

ホットガスバイパス弁制御手段によって、ホットガスバイパス弁の開度を数回に分けて開くこととしたので、熱効率の低下を可及的に防ぐことができる。

回転数超過判断手段によって、所定の回転数上昇を許容してサージング検知制御に移行するのを遅延させるようにしたので、ステップ的な外乱によってサージングを誤検知することを防止することができる。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、ターボ冷凍機１の概略構成図が示されている。
ターボ冷凍機１は、冷媒を圧縮する圧縮機３と、圧縮機３によって高温高圧となったガス冷媒を凝縮させる凝縮器５と、凝縮器５において凝縮された液冷媒を膨張させる膨張弁７と、膨張弁７によって膨張させられた液冷媒を蒸発させる蒸発器９とを備えている。

圧縮機３は、高圧力比が得られる遠心圧縮機となっている。
圧縮機３は、図２に示されているように、軸線Ｌ周りに回転する羽根車２０と、羽根車２０の外周に位置するディフューザ２２とを備えている。
羽根車２０の冷媒流れ上流側（以下、単に「上流側」という。）には、流入する冷媒の流量を調節する入口ベーン２４が設けられている。この入口ベーン２４は、入口ベーン駆動モータ２６によって回転角が変更されるようになっており、これにより流入する冷媒流量が調節される。

羽根車２０の上流側でかつ入口ベーン２４の冷媒流れ下流側（以下、単に「下流側」という。）には、測温抵抗体（温度センサ）２５が配置されている。この測温抵抗体２５によって、冷媒温度の変動が検出されるようになっている。
図１に示されているように、測温抵抗体２５の出力は、サージング判断手段３４に入力されるようになっている。測温抵抗体２５としては、線径が１．６ｍｍ程度のものを用いる。
サージング判断手段３４は、測温抵抗体２５によって測定される羽根車２５の吸込み温度Ｔｓｕｃから、サージングか否かを判断するようになっている。
具体的には、吸込み温度Ｔｓｕｃは、通常、蒸発器９における蒸発圧力ＰＥから算出される蒸発温度ＴＥよりも1℃〜２℃高い温度となっている。これに対して、現在の吸込み温度Ｔｓｕｃが、直近の30秒間をサンプリング平均した平均吸込み温度に対して、３〜５℃以上高い状態が生じた場合に、サージング判断手段３４によってサージングと判断する。つまり、サージングが発生した場合、圧縮後の高温冷媒が羽根車２０の高圧側から低圧側へと流れ込み、羽根車の吸込み温度Ｔｓｕｃが上昇する。この温度上昇を伴う温度変動を検出することによってサージングを判断する。
サージングの周期は、冷凍機の容量によって異なるが、短いもので２〜５秒程度となるので、測温抵抗体２５のサンプリング周期はこの周期よりも短くなっている。

図２に示されているように、入口ベーン２４の上流側には圧縮機吸込配管２８が接続されている。この圧縮機吸込配管２８の上流端には、圧縮機３の下方に位置する蒸発器９から上方に延在する蒸発器出口配管３０の上端が接続されている。

ディフューザ２２は、羽根車２０から流出する冷媒の運動エネルギーを位置エネルギーとして回収するものであり、円環状の空間を有している。
このディフューザ２２の外周縁部には、圧力センサ３２が設けられている。この圧力センサ３２は、旋回失速によって生じるディフューザ２２の外周縁部における圧力変動を検出するものである。
ディフューザ２２の外周には、渦巻室３３が配置されており、この渦巻室３４を介して下流側の凝縮器５へと冷媒が流出する。

図１に示されているように、圧縮機３は、電動機１１によって駆動される。電動機１１は、インバータ（回転数制御手段）による周波数制御によって回転数が適宜変更され得るようになっている。

インバータは、ターボ冷凍機１の定格運転を実現する定格周波数を指示するようになっている。この定格周波数を所定量超えた場合、回転数が超過していると判断する回転数超過判断手段１２が設けられている。本実施形態の場合、定格回転数の指示周波数を１００％とすると、１０３％を超えた場合に回転数超過と判断するようになっている。なお、回転数超過の判断基準となる１０３％という値は、ターボ冷凍機の使用態様に応じて適宜変更できるようになっている。

電動機１１には、電動機１１を駆動する駆動電流を検出する電流計１３が設けられている。そして、この駆動電流の変動は、変動電流判断手段１５によって判断されるようになっている。この変動電流判断手段１５は、所定時間の間における電流の振幅、変動周波数および所定時間の平均値の変化の程度によって、駆動電流が変動していることを判断するものである。本実施形態では、１０秒間の両振幅が駆動電流平均値の５％以上であって、３０秒の間にこの状態が繰り返され、かつ、この３０秒の間の１０秒毎の平均値の差が２％以上である場合に、駆動電流が変動していると判断するようになっている。

凝縮器５と蒸発器９との間には、ホットガスバイパス管４０が設けられている。ホットガスバイパス管４０には、ホットガスバイパス管４０内を流れる冷媒流量を調節するホットガスバイパス弁４０ａが設けられている。
ホットガスバイパス管４０は、圧縮機３へ流れ込む冷媒が低風量となったときに、凝縮器５側の高温冷媒（ホットガス）をバイパスさせて圧縮機３へ流入させることにより、低風量を解消して圧縮機３を安定領域で運転させるものである。したがって、圧縮機３が安定領域で運転されている場合は、ホットガスバイパス弁４０ａは全閉となっている。
ホットガスバイパス弁４０ａは、サージング制御部３６によって、その弁開度が制御されるようになっている。
凝縮器５には、外部から冷却水を導入する冷却配管５ａが設けられている。この冷却配管５ａを流れる冷却水によって、凝縮器５を流れる冷媒が冷却される。凝縮器５内の冷媒圧力ＰＣは、圧力センサ５ｂによって、検出される。なお、冷却水は、外部のクーリングタワー（図示せず）によって、冷却されるようになっている。

サージング制御部３６には、回転数超過判断手段１２、変動電流判断手段１５およびサージング判断手段３４からの出力信号が入力される。
サージング制御部３６から、ホットガスバイパス弁４０ａおよび電動機１１に対して、制御信号が出力される。

次に、図３を用いて、サージング検知のフローについて説明する。
電動機１１の電流値（駆動電流値）に変動が発生していない場合は、通常運転（Ｓ０）を行い、サージング検知は行わない。
電動機１１の電流値（駆動電流値）に変動が発生した場合（Ｓ１）、サージング検知を行う。
電流値に変動が発生しているか否かは、変動電流判断手段１５によって、次のように判断される。つまり、１０秒間の両振幅が駆動電流平均値の５％以上であって、３０秒の間にこの状態が繰り返され、かつ、この３０秒の間の１０秒毎の平均値の差が２％以上である場合に、駆動電流が変動していると判断する。

駆動電流が変動していると判断した場合、サージング判断手段３４（図１参照）によって、吸込み温度Ｔｓｕｃが上昇しているかを判断する（Ｓ２）。
つまり、吸込み温度Ｔｓｕｃは、通常、蒸発器９における蒸発圧力ＰＥから算出される蒸発温度ＴＥよりも1℃〜２℃高い温度となっている。これに対して、現在の吸込み温度Ｔｓｕｃが、直近の30秒間をサンプリング平均した平均吸込み温度に対して、３〜５℃以上高い状態が生じた場合に、サージング判断手段３４によってサージングと判断する（Ｓ３）。
吸込み温度Ｔｓｕｃが上昇していない場合、キャリーオーバと判断し（Ｓ４）、サージング制御部３６（図１参照）の指示によって電動機１１を停止する（Ｓ５）。

サージングと判断すると（Ｓ３）、電動機１１のインバータ指示周波数が１０３％以上か否かを判断する（Ｓ６）。
インバータ指示周波数が１０３％を超えない場合、インバータ指示周波数を１％だけ増大させて運転を継続する（Ｓ７）。
インバータ指示周波数が１０３％以上となった場合、サージング制御部３６の指示により、ホットガスバイパス弁４０ａを４０％だけ開く（Ｓ８）。
このように、インバータ指示周波数が１０３％を超えない限り、サージング制御動作は行われない。

弁開度４０％として３０秒経過した後、変動電流判断手段１５によって、上記Ｓ２と同様に、再び電流値が変動しているかを判断する（Ｓ９）。
電流値の変動が依然として残っている場合、ホットガスバイパス弁４０ａをさらに６０％まで開く（Ｓ１０）。
電流値の変動がない場合、サージングが解消されたと判断され、５分待った後に通常運転（Ｓ０）に戻る。

弁開度６０％として１０秒経過した後、変動電流判断手段１５によって、上記Ｓ２と同様に、再び電流値が変動しているかを判断する（Ｓ１１）。
電流値の変動が依然として残っている場合、ホットガスバイパス弁４０ａを最終的に全開（１００％）とする（Ｓ１２）。
電流値の変動がない場合、５分待った後に、ホットガスバイパス弁４０ａの開度を４０％に下げる（Ｓ８）。そして、電流値変動が残っているかをさらに判断する（Ｓ９）。

弁開度１００％として１０秒経過した後、変動電流判断手段１５によって、上記Ｓ２と同様に、再び電流値が変動しているかを判断する（Ｓ１３）。
電流値の変動が依然として残っている場合、ホットガスバイパス弁４０ａを全開としたまま、運転を強制的に継続する（Ｓ１４）。
電流値の変動がない場合、５分待った後に、ホットガスバイパス弁４０ａの開度を６０％に下げる（Ｓ１０）。そして、電流値変動が残っているかをさらに判断する（Ｓ１１）。

本実施形態のターボ冷凍機によれば、以下の作用効果を奏する。
羽根車２２の上流側すなわち羽根車２２と入口ベーン２４との間に、冷媒温度を検出する測温抵抗体２５を設けたので、サージングを精度良く検出することができる。つまり、サージングによって生じる冷媒の逆流を温度によって検出するので、凝縮器５や蒸発器９の容積による減衰の避けられない羽根車２０両端間の差圧による手法に比べて、サージングを直接捉えることができる。

また、電動機の駆動電流が変動していることの検出だけではサージングとキャリーオーバとを区別することは困難であるのに対し、測温抵抗体２５によれば冷媒温度の降下を捉えることができるので、キャリーオーバをサージングと区別して検知することができる。

変動電流判断手段１５によって、電動機の駆動電流が変動していることを検出し、遠心圧縮機にサージングまたはキャリーオーバが発生していることを検知した後に、サージング判断手段３４によってサージングが発生していると判断することとしたので、精度よくサージングを検知することができる。

ホットガスバイパス弁４０ａの開度を３回に分けて開くこととしたので、ホットガスバイパス制御を行うことによる熱効率の低下を可及的に防ぐことができる。

回転数超過判断手段１２によって、定格の１０３％を超えない限りサージング検知の後の制御動作を行わないこととしたので、冷却水の急激な温度変動といったサージングとは関係ないステップ的な外乱が入って電動機１１の定格回転数を越えた場合であっても、ある程度の回転数上昇を許容してサージング検知制御に移行するのを遅延させることができる。したがって、ステップ的な外乱によってサージングを誤検知することを防止できる。

なお、上述したサージング検知の判断手法に加えて、ディフューザ２２の外周縁部に配置した圧力センサ３２（図２参照）によって、旋回失速を検出することとしてもよい。サージングは、ディフューザ２２の外周縁部に生じる旋回失速が成長することにより発生するので、この旋回失速を圧力センサ３２によって捉えることで、サージング検知の精度をさらに高めることができる。

また、本実施形態において、温度センサとして測温抵抗体２５を用いることとしたが、測定感度が良いものであればこれに限らず、例えば非シース型の線径の細い熱電対であってもよい。
また、本実施形態における測温抵抗体２５は、羽根車２０と入口ベーン２４との間に配置されているが、これに代えて、入口ベーン２４上流側でかつ圧縮機吸込配管２８下流側（図２のＴ２）、または圧縮機吸込配管２８内（図２のＴ３）に設けても良い。

本発明のターボ冷凍機の一実施形態を示した図である。 圧縮機まわりを示した断面図である。 サージング検知の制御フローを示したフローチャートである。

符号の説明

１ ターボ冷凍機
３ 圧縮機
５ 凝縮器
７ 膨張弁
９ 蒸発器
１１ 電動機
１２ 回転数超過判断手段
１５ 変動電流判断手段
２５ 測温抵抗体（温度センサ）
４０ａ ホットガスバイパス弁

Claims (6)

1. 冷媒温度を検出する温度センサが冷媒を圧縮する羽根車の上流側に設けられた遠心圧縮機と、
   前記温度センサの出力により冷媒温度の上昇を検出し、サージングを判断するサージング判断手段と、
   前記サージング判断手段によってサージングと判断された後に、前記遠心圧縮機の吐出側の冷媒の一部を吸込側へと導くホットガスバイパス管に配置されたホットガスバイパス弁の開度を所定量開くホットガスバイパス弁制御手段と、
   を備えたターボ冷凍機において、
   前記電動機は、回転数制御手段からの指示によって回転数が制御され、
   該回転数制御手段の指示値が定格から所定量上回ったか否かを判断する回転数超過判断手段を備え、
   該回転数超過判断手段によって前記回転数制御手段の指示値が前記定格から前記所定量上回ったと判断した場合に、前記ホットガスバイパス弁制御手段によって該ホットガスバイパス弁の開度を所定量開くことを特徴とするターボ冷凍機。
2. 前記羽根車を駆動する電動機の駆動電流を検出し、電流の変動を判断する変動電流判断手段を備え、
   該変動電流判断手段によって前記駆動電流の変動を検出した後に、前記サージング判断手段によってサージングを判断することを特徴とする請求項１記載のターボ冷凍機。
3. 前記ホットガスバイパス弁制御手段は、前記変動電流判断手段によって得られる電流の変動に応じて、前記ホットガスバイパス弁の開度をさらに開くことを特徴とする請求項２記載のターボ冷凍機。
4. 冷媒温度を検出する温度センサが冷媒を圧縮する羽根車の上流側に設けられた遠心圧縮機と、
   前記温度センサの出力により冷媒温度の上昇を検出し、サージングを判断するサージング判断手段と、
   前記サージング判断手段によってサージングと判断された後に、前記遠心圧縮機の吐出側の冷媒の一部を吸込側へと導くホットガスバイパス管に配置されたホットガスバイパス弁の開度を所定量開くホットガスバイパス弁制御手段と、
   を備えたターボ冷凍機の制御方法において、
   前記電動機は、回転数制御手段からの指示によって回転数が制御され、
   該回転数制御手段の指示値が定格から所定量上回ったか否かを判断する回転数超過判断手段を備え、
   該回転数超過判断手段によって前記回転数制御手段の指示値が前記定格から前記所定量上回ったと判断した場合に、前記ホットガスバイパス弁制御手段によって該ホットガスバイパス弁の開度を所定量開くことを特徴とするターボ冷凍機の制御方法。
5. 前記羽根車を駆動する電動機の駆動電流を検出し、電流の変動を判断する変動電流判断手段を備え、
   該変動電流判断手段によって前記駆動電流の変動を検出した後に、前記サージング判断手段によってサージングを判断することを特徴とする請求項４記載のターボ冷凍機の制御方法。
6. 前記ホットガスバイパス弁制御手段は、前記変動電流判断手段によって得られる電流の変動に応じて、前記ホットガスバイパス弁の開度をさらに開くことを特徴とする請求項５記載のターボ冷凍機の制御方法。

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